面向轨道交通的无源锁分级授权安全管控方法及系统与流程

本发明属于轨道交通信号安全与锁控，更具体地，涉及一种面向轨道交通的无源锁分级授权安全管控方法及系统。

背景技术：

1、轨道交通系统沿线分布有大量需要物理安全防护的关键设施，包括信号设备机柜、转辙机接线盒、轨道电路箱、电缆接线箱、变电所柜门、通信机房等，这些设施的开闭管理直接关系到行车安全与运营秩序。目前行业内普遍采用传统机械锁、有源电子锁和无源锁三类方案管理上述设施。其中，无源锁依靠智能钥匙的接触式供电触发开锁，无需为锁具单独布线，防护等级高、环境适应性强，在户外与强电磁干扰场景下应用日益广泛。但现有的无源锁管控体系仍存在三方面缺陷：一是授权判定简单，普遍停留在授权或未授权的二元判断，无法实现按作业角色、作业场景、作业时段和设备重要性的精细化授权；二是锁控体系与轨道交通核心的信号管控系统相互隔离，信号系统的运行状态无法实时传递至锁控系统，存在人员带电作业、误动道岔等严重安全隐患；三是越权操作难以实时发现与追溯，锁具操作记录仅作简单存储，缺乏与信号系统操作日志的交叉比对与关联分析。

2、中国专利文献cn108447147a公开了一种基于无源智能锁的配网通信小室设备安全管理系统，该系统包括无源电子锁、智能钥匙和远程管理服务器，远程管理服务器对智能钥匙进行操作权限和指令的设定与下发。虽然解决了无源锁远程授权管理的问题，但是依然存在：权限仅为授权或未授权的简单判定，未建立多维度分级授权模型，系统也无法感知被管理设备所在场景的实时运行状态，无法适应轨道交通多角色、多场景的差异化管控需求。

3、中国专利文献cn107680212a公开了一种配电网户外设备五防智能锁授权验证方法，由管理服务器将电子钥匙编号、待开智能锁编号、开锁起始时间和开锁终止时间四个信息加密生成开锁密钥，智能锁验证密钥与时间窗口后执行开锁动作。虽然实现了限定对象、限定时间的开锁授权，但是依然存在：授权维度固定单一，未考虑作业场景、人员历史行为、设备运行状态等因素对授权决策的动态影响，无法依据实时风险调整授权等级，也无法实现锁具状态与信号系统运行状态的联动控制。

4、中国专利文献cn205302375u公开了一种轨道交通检修作业安全联锁管理系统，控制主机接收设备状态检测部件检测的设备状态信号，根据设备状态信号向门禁控制装置输出门禁控制信号，控制门禁锁的开闭。虽然实现了设备状态与门禁的联动，但是依然存在：联动仅为门禁层面的开关控制，未建立面向多角色、多场景的分级授权体系，门禁权限判断与锁具操作记录缺乏四维权限模型的支撑，锁具操作记录与信号系统操作日志之间也缺乏交叉关联设置能力。

5、综上，亟需提供一种面向轨道交通的无源锁分级授权安全管控方法及系统，以解决现有技术中存在的上述问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有无源锁管控体系存在授权判定简单、无法感知信号系统运行状态、越权操作难以实时发现与追溯的问题，提供一种面向轨道交通的无源锁分级授权安全管控方法及系统，实现多场景适配、分级授权、信号联动和全流程可追溯。

2、本发明相关技术词汇的解释如下：

3、四维动态权限模型：由角色、场景、时段和设备四个维度构建的权限计算模型，用于判定人员在特定场景、特定时段对特定设备执行特定操作的权限。

4、授权分数：依据四维动态权限模型对授权请求逐维度加权计算得到的数值，用于量化评价授权请求的合规程度，授权分数越高表示该请求的权限匹配程度越高。

5、五维实时风险评估：对授权请求的操作类型、人员行为、信号系统状态、时段和环境五个维度分别量化打分并加权求和，得到风险总值的过程。

6、rplcp协议：rail passive lock control protocol，轨道交通无源锁控制专用协议，用于锁控体系中各类数据帧的封装、优先级调度与传输。

7、加权公平排队：weighted fair queuing，wfq，按队列权重分配带宽资源、选取虚拟完成时间最小的数据帧优先发送的调度机制。

8、国密算法：我国商用密码算法体系，包括sm2椭圆曲线公钥密码算法、sm3密码杂凑算法和sm4分组密码算法。

9、本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

10、一种面向轨道交通的无源锁分级授权安全管控方法，包括以下步骤：

11、s1、构建终端层、边缘层、平台层和信号层的四级互联互通架构，所述终端层包括无源锁终端节点、智能钥匙终端和现场边缘网关，所述边缘层包括边缘计算网关，所述平台层包括锁控管理平台、权限管理中心和设置追溯中心，所述信号层通过安全数据网关与信号管控系统对接；

12、s2、在所述权限管理中心建立角色、场景、时段、设备四维动态权限模型，响应授权请求时获取所述授权请求中的角色信息、场景信息、时段信息和设备信息，依据所述四维动态权限模型计算授权分数，并将所述授权分数映射为授权等级；

13、s3、对所述授权请求执行操作类型、人员行为、信号系统状态、时段和环境五个维度的实时风险评估，得到风险总值，依据所述风险总值对所述授权等级进行拒绝授权、降级授权或正常授权的三级决策；

14、s4、在所述边缘计算网关预存联动规则表，获取信号系统的运行状态事件，将所述运行状态事件与所述联动规则表中的联动规则进行匹配，依据匹配结果向所述无源锁终端节点下发锁具联动控制指令；

15、s5、通过专用通信协议按优先级加权公平排队调度各类型数据帧，并采用国密算法对数据帧进行加密、完整性校验和签名验证后在所述四级互联互通架构内传输。

16、本技术方案中，通过s1构建四级互联互通架构，将无源锁终端、边缘计算网关、锁控管理平台和信号管控系统纳入统一的管控体系，使锁具状态、授权信息与信号系统的运行状态在四层之间实时贯通，为联动控制与交叉设置奠定架构基础；通过s2建立四维动态权限模型，将授权判断从单一的授权或未授权升级为角色、场景、时段、设备四个维度的联合判定，授权分数综合反映请求在各维度上的匹配程度，再映射为授权等级，实现精细化的分级授权；通过s3执行五维实时风险评估，在授权等级判定的基础上叠加对人员行为、信号系统状态、时段和环境的实时风险度量，对高风险的授权请求执行拒绝或降级处理，避免人员带电作业、误动道岔等危险行为；通过s4在边缘计算网关预存联动规则表，将信号系统的运行状态事件就近与联动规则匹配并执行，使锁具开闭状态与信号开放、进路建立等状态实时联动，安全联动动作在边缘层本地完成，不受平台层网络状态影响；通过s5采用加权公平排队调度与国密算法加密传输，优先保障安全联动类数据帧的实时性，同时保证数据在四级架构内传输的机密性、完整性与来源可信性。五个步骤相互配合，构成从架构、授权、风控、联调到传输的完整安全管控闭环，解决了现有技术授权判定简单、缺乏信号联动、越权难追溯的问题。

17、另外，根据本发明上述提出的方法还可以具有如下附加技术特征：

18、进一步地，s2中所述依据所述四维动态权限模型计算授权分数具体为：

19、按照预设授权分数计算公式计算授权分数score，所述授权分数计算公式如下：

20、

21、其中：r为操作角色参数，s为作业场景参数，t为作业时段参数，d为受控设备参数；为角色权重系数，为场景权重系数，为时段权重系数，为设备权重系数；为场景与时段关联修正系数，为设备风险修正系数，为角色与场景关联矩阵元素；

22、对计算得到的授权分数进行归一化处理，将归一化后的授权分数与预设的多段授权等级区间逐一比对，映射得到对应的授权等级。

23、本技术方案限定了授权分数的具体计算公式，通过角色权重、场景权重、时段权重、设备权重以及场景与时段关联修正系数、设备风险系数、角色与场景关联矩阵元素的连乘，实现四维权限的数学化度量，其中角色与场景关联矩阵体现了不同角色在不同场景下的专业能力差异，任何单一维度的高权重无法弥补其他维度的不足，确保四维条件同时满足才能获得授权。

24、进一步地，s3中对所述授权请求执行实时风险评估具体为：

25、分别量化计算操作类型风险值、人员行为风险值、信号系统状态风险值、时段风险值和环境风险值，并通过风险总值计算公式求解授权请求的风险总值，所述风险总值计算公式如下：

26、

27、其中：分别为操作类型、人员行为、信号系统状态、时段、环境对应的维度权重系数，各权重系数取值均大于0，且满足权重约束关系：；

28、依据风险总值大小执行三级授权决策：当大于预设第一风险阈值时，拒绝本次授权请求；当小于等于第一风险阈值且大于预设第二风险阈值时，对当前授权等级进行降级处理，并同步附加全程操作监控措施；当小于等于第二风险阈值时，执行正常授权操作；

29、所述人员行为风险值基于人员操作行为基线计算得到；所述行为基线依托人员历史全量操作记录构建，涵盖人员常用操作时段集合、常用操作设备集合、常用作业场景集合、历史平均操作频率及操作频率标准差；分别计算当前操作时段与常用时段集合的偏差值、当前操作设备与常用设备集合的偏差值、当前操作频率与历史平均操作频率的偏差度，对各偏差指标进行加权求和，最终量化得到人员行为风险值。

30、本技术方案限定了五维风险总值的加权计算公式与三级决策机制，并具体限定了人员行为风险值基于行为基线的计算方法，通过常用时段、常用设备、常用场景、平均操作频率与标准差刻画人员的正常操作画像，对偏离画像的操作进行风险量化，使风险评估具备个体针对性和动态适应性。

31、进一步地，s4中所述联动规则包括：

32、信号开放联动规则，信号开放时锁定对应区段内的全部无源锁终端节点并下发撤离告警；

33、进路状态联动规则，进路建立时冻结关联道岔所在设备上的锁具操作权限，进路解锁后恢复该操作权限；

34、故障应急联动规则，发生故障时响应应急指挥中心下发的解锁指令对预案锁具执行解锁，故障解除后自动恢复锁定；

35、权限动态调整规则，依据调度命令和作业计划动态调整所述授权等级。

36、本技术方案限定了信号开放联动、进路状态联动、故障应急联动和权限动态调整四类联动规则，覆盖正常运营、维护作业、故障处置三类典型工况，其中信号开放时锁定区段内全部锁具并下发撤离告警，从根本上杜绝带电作业。

37、进一步地，s4中所述将运行状态事件与联动规则进行匹配具体为：

38、对所述运行状态事件进行时间戳校验、去重和结构化解析；

39、从所述联动规则表中查询与所述运行状态事件的事件类型匹配且处于启用状态的联动规则；

40、对每条候选联动规则，依据本地状态缓存评估其触发条件，条件为真的加入匹配结果集；

41、对所述匹配结果集中的联动规则按优先级排序，存在互斥动作时按安全优先原则保留安全级别高的动作；

42、按序执行所述动作，向所述无源锁终端节点下发锁具联动控制指令，并记录执行结果；

43、当所述边缘计算网关与所述平台层断连时，继续依据本地联动规则表执行联动逻辑，并将未上报的事件存入离线队列，网络恢复后按时间顺序批量同步。

44、进一步地，s5中所述专用通信协议为rplcp协议，所述rplcp协议设置四级优先级队列，各级队列的权重从高到低依次为8、4、2、1，采用加权公平排队调度，选取虚拟完成时间最小的数据帧优先发送；

45、数据帧在队列中的等待时间达到对应队列的饥饿阈值时，将其临时优先级提升一级，所述等待时间达到对应队列延迟上限的95%时，将其临时优先级提升至最高级。

46、本技术方案限定了联动规则匹配的完整流程，包括事件预处理、规则查询、条件评估、冲突消解与动作执行，并限定断网时边缘计算网关依据本地规则表自治运行、网络恢复后批量同步，保证在网络异常情况下安全联动逻辑不失效。进一步地，s5中所述国密算法包括sm2算法、sm3算法和sm4算法，通过sm2算法进行双向认证、密钥协商与数字签名，通过sm4算法对数据帧进行加密，通过sm3算法生成哈希摘要进行完整性校验；

47、对接收的数据帧进行时间戳校验和滑动窗口去重，时间戳超出预设窗口的数据帧直接丢弃，滑动窗口位图中记录的重复序列号的数据帧直接丢弃。

48、进一步地，本发明还包括：

49、构建根密钥、区域密钥和会话密钥的三层密钥层级体系，所述根密钥烧录于安全芯片，所述区域密钥由平台下发并周期性轮换，所述会话密钥在双向认证时协商生成并定时强制重新认证；

50、将无源锁终端节点的操作日志与信号管控系统的操作日志进行交叉关联分析，生成包含人员、时间、设备、操作内容和授权等级的追溯记录。

51、本技术方案限定了根密钥、区域密钥、会话密钥三层密钥层级体系，根密钥烧录于安全芯片不可导出，区域密钥周期性轮换，会话密钥定时强制重新认证，保证前向安全性；并限定锁具操作日志与信号系统操作日志的交叉关联分析，实现越权操作的实时发现与全流程追溯。

52、在本发明的另一个方面中，本发明还提供了一种面向轨道交通的无源锁分级授权安全管控系统。

53、一种面向轨道交通的无源锁分级授权安全管控系统，包括：

54、无源锁终端节点、智能钥匙终端、现场边缘网关、边缘计算网关、锁控管理平台和安全数据网关；

55、所述无源锁终端节点设置于轨道交通沿线设施上；

56、所述智能钥匙终端与所述无源锁终端节点通信连接，用于向所述无源锁终端节点供电并触发其执行开锁或闭锁动作；

57、所述现场边缘网关与所述无源锁终端节点通信连接，用于汇聚管辖区域内的锁具状态数据；

58、所述边缘计算网关与所述现场边缘网关通信连接，内置联动规则引擎；

59、所述锁控管理平台与所述边缘计算网关通信连接，包括权限管理中心和设置追溯中心，所述权限管理中心用于维护角色、场景、时段、设备四维动态权限模型，所述设置追溯中心用于存储追溯记录；

60、所述安全数据网关的一端与所述锁控管理平台通信连接，另一端与信号管控系统通信连接。

61、本技术方案通过无源锁终端节点、智能钥匙终端、现场边缘网关、边缘计算网关、锁控管理平台和安全数据网关的配合，将四维动态授权、五维风险评估、边缘联动规则执行与国密安全传输落实到具体装置层面：智能钥匙终端向无源锁终端节点接触供电并触发开闭锁，现场边缘网关汇聚锁具状态，边缘计算网关本地执行联动规则，权限管理中心维护四维动态权限模型，设置追溯中心存储追溯记录，安全数据网关实现与信号管控系统的安全对接。

62、进一步地，所述智能钥匙终端集成指纹与ic卡双因子身份认证模块、无线供电模块以及uwb与北斗双模定位模块；

63、所述边缘计算网关包括主控处理器、内置国密算法引擎的安全芯片、lora通信模块、以太网通信模块、rs-485通信模块和4g通信模块；

64、所述锁控管理平台还包括数据共享总线，所述数据共享总线用于与信号管控系统进行设备状态、作业计划、操作日志、告警事件和权限策略五维数据的双向共享；

65、所述边缘计算网关与所述平台层之间采用双网冗余连接，包括主网络和辅网络，所述主网络的通信延迟小于等于50ms，所述辅网络的通信延迟小于等于500ms。

66、本发明提供的一个或多个技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：

67、（1）分级授权精准管控：通过四维动态权限模型与授权分数计算，实现角色、场景、时段、设备四个维度联合判定的分级授权，彻底改变现有授权或未授权的二元判定模式，确保正确的人在正确的时间对正确的设备执行正确的操作；

68、（2）信号联动安全保障：通过边缘计算网关本地联动规则引擎，锁具开闭状态与信号开放、进路建立、故障状态实时联动，信号开放时自动锁定区段内全部锁具并下发撤离告警，杜绝人员带电作业、误动道岔等危险行为，联动响应延迟小于等于10ms；

69、（3）全流程可追溯设置：锁具操作日志与信号系统操作日志交叉关联，结合五维实时风险评估，越权操作可实时发现并告警，追溯记录包含人员、时间、设备、操作内容和授权等级，为安全责任认定提供完整证据链。